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Type: Tese de Doutorado
Title: Utilização de ácidos fosfônicos para decoração e crescimento de nanoestruturas
Authors: Mariana de Castro Prado
First Advisor: Bernardo Ruegger Almeida Neves
First Referee: Ariete Righi
Second Referee: Ricardo Wagner Nunes
Third Referee: Giselle Nogueira Fontes
metadata.dc.contributor.referee4: Rodrigo Prioli Menezes
metadata.dc.contributor.referee5: Ricardo Kagimura
Abstract: Nesta tese foram estudados materiais bidimensionais e sistemas orgânicos auto-construídos, assuntos de grande interesse em nanociência e nanotecnologia. Os resultados obtidos ilustram a grande versatilidade de camadas auto-construídas como forma de decorar e crescer nanoestruturas. Uma combinação de técnicas de microscopia e espectroscopia foi usada para caracterizar experimentalmente as amostras. Estes resultados foram complementados por cálculos teóricos.As moléculas orgânicas utilizadas foram principalmente os ácidos fosfônicos lineares, moléculas com um grupamento polar (cabeça) e uma cauda alquílica linear. Foi mostrado que essas moléculas formam um cristal bidimensional quando depositadas sobre grafeno e nitreto de boro hexagonal (h-BN). Usando microscopia de força atômica (AFM) e cálculos por primeiros princípios, foi possível verificar que esses cristais moleculares mantém registro com a rede hexagonal do grafeno e do h-BN. A corrugação deste cristal detectada com AFM permite a identificação da direção cristalográfica do floco (de grafeno ou h-BN) subjacente sem que seja necessária uma imagem com resolução atômica. Medidas de espectroscopia Raman confirmaram a previsão teórica que o cristal de ácidos fosfônicos induz uma dopagem tipo-p no grafeno bem definida, da ordem de 1013 cm-2. Outra configuração, grafeno sobre bicamadas verticais auto-construídas, foi estudada e foi observado que a dopagem é uma ordem de grandeza menor. Em outro trabalho, as condições de etching de grafeno foram estudadas com AFM, microscopia óptica e espectroscopia Raman. As técnicas de etching utilizadas, reactive ion etching (RIE) e plasma etching, são duas das técnicas mais empregadas na produção de dispositivos. Foi mostrado que, apesar de sua grande utilização na otimização de etching, a microscopia óptica e a espectroscopia Raman são insensíveis aos resíduos formados durante a remoção do grafeno. Desta forma, essas duas técnicas sugerem a remoção de uma monocamada de grafeno antes que todo o material seja eliminado. Uma vez que resíduos podem influenciar dramaticamente o desempenho de dispositivos de materiais com apenas um átomo de espessura, o uso de AFM é importante para a calibração correta do etching de grafeno. Os cristais bidimensionais de ácidos fosfônicos foram utilizados para crescer óxidos metálicos sobre grafeno utilizando deposição por camada atômica (ALD). Essa técnica permite a deposição (com grande controle da espessura) de uma variedade de materiais em substratos que possuem grupos reativos capazes de iniciar o crescimento. O grafeno e as cadeias alquílicas das moléculas são inertes, mas o grupamento fosfônico é reativo, promovendo, no caso do óxido de zinco, crescimento de óxido com o mesmo registro com o substrato que o cristal bidimensional. No caso de óxidos de alumínio, háfnio e zircônio, o crescimento do óxido leva a uma desorganização do cristal molecular. A combinação de ácidos fosfônicos com ZnO foi caracterizada com AFM e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X (XPS). Ela foi usada como máscara para etching e foi obtido grafeno nanoestruturado, caracterizado com espectroscopia Raman. Desta forma, o estudo sistemático das condições de etching foi realizado para possibilitar o último passo deste terceiro trabalho. Por fim, a decoração de substratos de titânio com ácidos fosfônicos foi estudada. Testes de imersão de substratos com e sem a funcionalização orgânica mostraram que os ácidos fosfônicos aumentam a deposição de cristais de cálcio e fósforo a partir de íons em solução. Esses cristais foram identificados como hidroxiapatita, o principal componente inorgânico dos ossos, sugerindo que a decoração com essas moléculas seria uma via barata e rápida de aumentar a integração de próteses metálicas ao tecido de pacientes submetidos a implantes. O trabalho de caracterização dos cristais bidimensionais em grafeno e h-BN foi desenvolvido no Laboratório de Nanoscopia do Departamento de Física da UFMG em colaboração com os grupos de Estrutura Eletrônica e Espetroscopia Raman. A deposição de hidroxiapatita foi feita também neste departamento, em colaboração com a Divisão de Metrologia do INMETRO. O estudo do etching e a deposição de óxidos metálicos por ALD em grafeno funcionalizado foram feitos durante o estágio-sanduíche na Northwestern University, Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, grupo do Prof. Mark Hersam.
Abstract: In this thesis, two-dimensional materials and self-assembled organic systems were investigated, topics of great interest both to nanoscience and nanotechnology. The results illustrate the versatility of the self-assembled layers as alternatives to decorate and promote growth of nanostructures. A combination of microscopy and spectroscopy techniques was employed to characterize the samples and the results were compared to theoretical calculations. The main type of organic molecule used here was linear phosphonic acids, species with a polar headgroup and a linear alkyl chain. It was seen that those molecules form a two-dimensional crystal atop graphene and hexagonal boron nitrite (h-BN). Combining atomic force microscopy (AFM) and first principles calculations, it was demonstrated that these molecular crystals keep registry with graphenes and h-BNs hexagonal lattice. The corrugation of the crystal detected by AFM allows the determination of the substrate (graphene or h-BN) crystallographic orientation without the need of atomic resolution images. Raman spectroscopy data confirmed the theoretical prediction that the molecular crystal induces a well-defined p-type doping on graphene (around 1013 cm-2). Another configuration, graphene atop vertical self-assembled bilayers, was investigated and the measured doping was one order of magnitude smaller. Another work dealt with optimization of graphenes etching condition using AFM, optical microscopy and Raman spectroscopy. The investigated etching techniques, reactive ion etching (RIE) and plasma etching, are two of the most widely employed techniques in device fabrication. It was shown that despite their wide use to keep track of etching process in graphene, optical microscopic and Raman spectroscopy are insensitive to graphenes etching residue and suggest the complete removal of the monolayer before all the material is actually removed. Given that this residue can greatly affect device performance for one-atom-thick materials, it is important to use AFM to calibrate the etching process. The two-dimensional phosphonic acid crystals were used to seed the growth of metal oxides atop graphene using atomic layer deposition (ALD). ALD allows precise control of the thickness of a variety of materials grown on substrates that have reactive groups in the surface that seed the deposition. Graphene and the alkyl chains are inert but the phosphonic moiety is reactive, promoting growth of zinc oxide that keeps the same registry shown by these molecules with the substrate. For aluminum, hafnium and zirconium oxides, the growth disrupts the molecular organization. Phosphonic acid and ZnO layer were characterized with AFM and X-rays photoelectron spectroscopy. They were used as a mask for etching and nanostructured graphene was obtained. The systematic study of etching conditions previously mentioned was employed in the last step of this third work. Finally, the decoration of titanium substrates with phosphonic acids was investigated. Bare and functionalized substrates were immersed in solution containing calcium and phosphorus ions and it was observed that the phosphonic acids increase the deposition of inorganic crystals. These crystals were identified as hydroxyapatite, the main inorganic component of bones. Thus, this could be a fast and inexpensive route to increase metallic implants osseointegration. The characterization of two-dimensional organic crystals atop graphene and h-BN was conducted at Laboratório de Nanoscopia of the Physics Department of UFMG, in collaboration with Electronic Structure and Raman Spectroscopy groups. Hydroxyapatite deposition was also conducted at the same department, in collaboration with INMETROs metrology division. Etching and ALD studies were performed during an internship (between January and December, 2012) at Northwestern University, Materials Science and Engineering Department, Prof. Mark Hersams group.
Subject: Microscopia eletrônica de varredura
Ácido fosfônico
Ácido octilfosfônico
Física
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-99MKQZ
Issue Date: 27-Jun-2013
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